Windows C/C++ Socket 编程

承接上文：socket 编程

在进行 socket 编程之前，你要有一些计算机网络的知识，了解 TCP/UDP 、客户端服务器模型。

Windows Client 端

Windows socket 编程 client 端 大致如下：

char buffer[buffer_size] = { 0 };      //接收数据的缓存WSADATA wsaData;
//初始化 Winsock
if (WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &wsaData) != 0) {...}SOCKET sock;
//创建 Socket
if ((sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) == INVALID_SOCKET) {...}struct sockaddr_in server;
// 配置服务器地址结构
server.sin_family = AF_INET;
server.sin_port = htons(PORT);
in_addr serverIP;
if (inet_pton(AF_INT, "IPv4 Address", &server.sin_addr) < 0) {...}
memcpy(&(serverAddr.sin_addr), &serverIP, sizeof(serverIP));//连接服务器
if (connet(sock, (struct sockaddr*)&server, sizeof(server)) < 0) {...}// 发送数据
const char* message = "message";
send(sock, message, strlen(message), 0);// 接收数据
char buffer[BUFFER_SIZE] = { 0 };
int recvResult = recv(sock, buffer, BUFFER_SIZE - 1, 0);if (recvResult > 0) { //数据接受成功 } 
else if ( recvResult == 0 ) { //连接关闭} 
else { //数据接受失败 }closesocket(sock);
WSACleanup();

WSADATA 结构体

该结构体定义了与 Winsock 库相关的一些信息。在 Windows 上使用 Socket 编程时，必须先调用 WSAStartup() 函数初始化 Winsock 库，而 WSADATA 结构体则是这个初始化过程的一部分。

WSADATA 结构体在 winsock2.h 头文件中定义，通常包含以下信息：

typedef struct _WSADATA {WORD wVersion;         // 使用的 Winsock 版本WORD wHighVersion;     // 支持的最高版本char szDescription[256]; // 描述字符串char szSystemStatus[128]; // 系统状态字符串unsigned short iMaxSockets; // 最大套接字数unsigned short iMaxUdpDg;   // 最大 UDP 数据报文长度char *lpVendorInfo;    // 供应商特定的附加信息
} WSADATA;

WSAStartup() 函数

用于初始化 Winsock 库并准备网络通信的环境。在 Windows 上进行网络编程时，必须先调用 WSAStartup() 才能使用任何与网络相关的功能（如套接字、连接、数据传输等）。

int WSAStartup(WORD wVersionRequested,  // 请求的 Winsock 版本LPWSADATA lpWSAData      // 指向 WSADATA 结构体的指针
);

WSAStartup() 为我们应用程序提供了使用 Windows 套接字的能力，会为应用程序提供所需的 Winsock 资源，并允许操作系统在程序退出时释放这些资源（通过 WSACleanup()）。

返回值：
如果函数调用成功，返回值为 0。
如果函数调用失败，返回值是一个错误代码，表示初始化失败的原因。可以通过调用 WSAGetLastError() 获取详细的错误信息。（WSAGetLastError() 用于获取上一次 Winsock 操作的错误码。）

使用示例：

int iResult = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
if (iResult != 0) {std::cerr << "WSAStartup failed: " << iResult << std::endl;return 1;
}

MAKEWORD(2, 2) 是一个宏，用于将两个 BYTE（字节）组合成一个 WORD（字，通常是 16 位的整数）。在 Windows 编程中，MAKEWORD 常用于将两个字节值合并为一个 16 位的数值，通常用于指定版本号或类似的参数。

• 在 MAKEWORD(2, 2) 中，它将 2 和 2 合并，得到表示 “2.2” 版本号的 WORD 值。
• 在 WSAStartup() 中，MAKEWORD(2, 2) 表示请求使用 Winsock 2.2 版本。

MAKEWORD 宏定义：

#define MAKEWORD(a, b)      ((WORD)(((BYTE)(((DWORD_PTR)(a)) & 0xff)) | ((WORD)((BYTE)(((DWORD_PTR)(b)) & 0xff))) << 8))// WORD:
typedef unsigned short      WORD;      // 无符号短整型 2字节
// BYTE:
typedef unsigned char       BYTE;      // 无符号字符型 1字节-8位

• low：低字节（低 8 位），表示低位。
• high：高字节（高 8 位），表示高位。

MAKEWORD 的位运算 （了解，不重要可跳过）

1. (DWORD_PTR)(a) 和 (DWORD_PTR)(b)：

   • 这部分将 a 和 b 强制转换为 DWORD_PTR 类型（通常是 unsigned int，在 64 位系统上为 unsigned long long，在 32 位系统上为 unsigned int）。
   • 这个转换的目的是确保 a 和 b 被当作一个整数来处理，方便进行位操作。

2. (DWORD_PTR)(a) & 0xff 和 (DWORD_PTR)(b) & 0xff：

   • 这里使用了 按位与运算符 &：
     • 0xff 是一个 8 位的掩码，二进制表示为 11111111。
     • 按位与运算 & 用于保留 a 和 b 中的最低 8 位（即低字节）。即使 a 或 b 是更大的类型（比如 DWORD_PTR，它的大小可能是 32 位或 64 位），通过 & 0xff 运算后，它们会被限制在 8 位范围内。
     • 举个例子，如果 a 的值是 0x12345678（32 位整数），a & 0xff 会返回 0x78，即最后一个字节的值。

3. (BYTE)(((DWORD_PTR)(a)) & 0xff) 和 (BYTE)(((DWORD_PTR)(b)) & 0xff)：

   • 这两部分将前面的结果转换为 BYTE 类型。BYTE 是 8 位的类型，确保结果是 8 位整数，去除多余的位数。

4. (WORD)((BYTE)(((DWORD_PTR)(b)) & 0xff)) << 8：

   • b 被处理成一个字节后，通过 左移操作 << 8 将它移到高字节的位置（16 位整数的高 8 位）。
   • 具体来说，左移 8 位的效果是将字节 b 提高 8 位，使其成为 16 位整数的高字节。例如，如果 b = 0x34，那么左移后就是 0x3400。

5. ((BYTE)(((DWORD_PTR)(a)) & 0xff)) | ((WORD)((BYTE)(((DWORD_PTR)(b)) & 0xff))) << 8：

   • 按位或运算符 | 用于将 a 和 b 合并成一个 16 位的整数。
     • a 是低字节，b << 8 是高字节，二者按位或运算合并成一个 16 位整数。
     • 举个例子：如果 a = 0x12 和 b = 0x34，那么 a | (b << 8) 的结果是 0x3412。

6. (WORD)：

   • 最后，通过强制类型转换将结果转换为 WORD 类型。WORD 是 16 位的整数类型，确保最终结果符合预期的类型。

SOCKET 以及 socket() 函数

SOCKET 是 Windows 套接字编程中用于表示一个网络套接字的类型。它是一个句柄（或标识符），用来标识一个网络连接或通信通道。

• SOCKET 本质上是一个整数类型（通常是 unsigned int），用于表示一个网络连接。

socket() 函数是创建一个套接字（socket）的函数。它通过指定地址族、套接字类型和协议类型来创建一个网络通信的通道。

SOCKET socket(int af, int type, int protocol);

af (地址族)：指定套接字所使用的地址族，决定了套接字能够处理的数据类型（如 IPv4、IPv6 等）。

常用的值：

• AF_INET：IPv4 地址族，表示使用 IPv4 地址进行通信。
• AF_INET6：IPv6 地址族，表示使用 IPv6 地址进行通信。
• AF_UNIX：Unix 域套接字，通常用于同一台机器上的进程间通信。

type (套接字类型)：指定套接字的类型，决定了数据的传输方式。

常用的值：

• SOCK_STREAM：流套接字，表示面向连接的 TCP 协议。适用于可靠的、连接导向的通信（如 HTTP、FTP）。
• SOCK_DGRAM：数据报套接字，表示无连接的 UDP 协议。适用于不保证可靠性的、无连接的通信（如 DNS 查询、视频流）。
• SOCK_RAW：原始套接字，允许直接访问网络层协议（通常是 ICMP 或自定义协议）。这种套接字用于较底层的网络操作，常见于网络工具。

protocol (协议)：指定所用的协议，通常与 type 配合使用，决定了套接字的协议标准。

常用的值：

• IPPROTO_TCP：表示 TCP 协议。一般与 SOCK_STREAM 搭配使用。
• IPPROTO_UDP：表示 UDP 协议。一般与 SOCK_DGRAM 搭配使用。
• IPPROTO_IP：表示通用的 IP 协议，通常可以与 SOCK_RAW 配合使用。

socket() 返回值：

• 成功时返回：如果套接字创建成功，socket() 函数返回一个 SOCKET 类型的值，这个值是一个非负整数，表示新创建的套接字的句柄。
• 失败时返回：如果创建套接字失败，返回值是 INVALID_SOCKET，这通常是一个特殊值（在 Windows 中通常为 -1）。（#define INVALID_SOCKET (SOCKET)(~0)）

sockaddr_in

sockaddr_in 是一个结构体，用于存储 IPv4 地址和端口信息，通常用于 TCP 或 UDP 套接字编程中。它是 sockaddr 结构的一个变种，专门用于 IPv4。

//
// IPv4 Socket address, Internet style
//typedef struct sockaddr_in {#if(_WIN32_WINNT < 0x0600)short   sin_family;
#else //(_WIN32_WINNT < 0x0600)ADDRESS_FAMILY sin_family;
#endif //(_WIN32_WINNT < 0x0600)USHORT sin_port;IN_ADDR sin_addr;CHAR sin_zero[8];
} SOCKADDR_IN, *PSOCKADDR_IN;

serverAddr.sin_family = AF_INET;      // internetwork: UDP, TCP, etc.
serverAddr.sin_port = htons(PORT);       // htons() 将主机字节序的 IP 端口转换成 网络字节序。
// The htons function can be used to convert an IP port number in host byte order to the IP port number in network byte order.

inet_pton() 函数

该函数用于将标准文本类型的 IPv4 & IPv6 地址转换成二进制形式。

in_addr struct

in_addr 结构体代表了一个 IPv4 地址

in_addr serverIP;

// in_addr 定义：
typedef struct in_addr {union {struct {UCHAR s_b1;UCHAR s_b2;UCHAR s_b3;UCHAR s_b4;} S_un_b;struct {USHORT s_w1;USHORT s_w2;} S_un_w;ULONG S_addr;} S_un;
} IN_ADDR, *PIN_ADDR, *LPIN_ADDR;

memcpy()

memcpy(&(serverAddr.sin_addr), &serverIP, sizeof(serverIP)); 这行代码使用memcpy函数将serverIP的内容复制到serverAddr.sin_addr中。memcpy函数接受三个参数：目标地址、源地址、以及要复制的字节数。

connect() 函数

connect() 函数是用来建立与远程服务器连接的标准函数，通常在客户端程序中使用。它的作用是向指定的服务器地址发起连接请求，并完成三次握手过程。如果连接成功，connect() 函数返回值为 0，否则返回一个错误代码。

connect() 是一个阻塞函数（在默认情况下），即在连接建立之前，它会阻塞调用线程直到连接成功或失败（返回错误）。

    iResult = connect(clientSocket, (SOCKADDR*)&serverAddr, sizeof(serverAddr));if (iResult == SOCKET_ERROR) { ... // 错误处理 }

(SOCKADDR*)&serverAddr：这是一个类型转换，将serverAddr的地址转换为一个指向SOCKADDR结构体的指针。serverAddr是一个sockaddr_in类型的变量，它包含了服务器的地址信息（如IP地址和端口号）。sockaddr_in是sockaddr的一个特定于IPv4的实现，这种转换是必要的，因为connect()函数的第二个参数是一个指向SOCKADDR的指针，而SOCKADDR是一个通用的地址结构体，sockaddr_in是它的一个具体实现。

send() 函数

int send(SOCKET s,                // 套接字描述符const char *buf,         // 数据缓冲区，发送数据的指针int len,                 // 数据长度（字节数）int flags                // 发送标志
);

flags: 控制发送行为的标志。通常是以下几种：

• 0: 默认行为，数据将尽可能一次性发送。
• MSG_OOB: 发送带外数据。
• MSG_DONTROUTE: 不使用路由表（直接发送到目标地址）。
• MSG_MORE: 发送更多数据，通常与大数据流一起使用。
• MSG_NOSIGNAL: 不触发 SIGPIPE 信号（适用于一些 Unix 系统，Windows 中该标志没有实际影响）。

除了 send() 函数用来发送数据以外，还有 sendto() UDP 的发送数据，以及 WSASend() 函数， 是 send() 的扩展（异步）。

recv() 函数

int recv(SOCKET s,        // 套接字char *buf,       // 数据接收缓冲区int len,         // 缓冲区的大小（字节数）int flags        // 控制接收行为的标志
);

int iRecvResult = recv(clientSocket, recvbuf, BUFFER_SIZE - 1, 0);
BUFFER_SIZE - 1 是为了确保缓冲区末尾有足够的空间来存储 空字符（\0），以确保接收到的数据能够作为一个有效的 C 字符串使用。recv() 不会自动为接收到的数据添加 \0（空字符），因此，如果期望将接收到的数据当作字符串处理，就必须在缓冲区的末尾手动添加 \0。如果只是把接收的数据当作二进制数据处理，那么 BUFFER_SIZE - 1 大可不必。

返回值：

• recvResult > 0：表示成功接收了数据，返回的是接收到的字节数。

• recvResult == 0：表示连接已关闭。通常，这意味着对方已经关闭了连接，不能再发送数据。如果服务器关闭了连接，客户端调用 recv() 时会返回 0，表示连接被关闭。

• recvResult == SOCKET_ERROR：表示发生了错误，调用 recv() 函数失败。

长期不调用 recv() 函数可能会导致数据丢失

每个套接字（无论是发送端还是接收端）都有 发送缓冲区 和 接收缓冲区。这两个缓冲区由操作系统的 TCP/IP 协议栈管理。

• 接收缓冲区：用于临时存储接收到的网络数据，直到应用程序调用 recv() 将数据读取出来。
• 发送缓冲区：用于存储待发送的数据，直到 TCP 协议栈将其传输到网络。

如果应用程序不及时调用 recv() 来读取数据，接收缓冲区中的数据就会积压。

• 接收缓冲区满：当接收缓冲区满了，TCP 会根据流量控制（Flow Control）机制采取措施，确保不会接收到过多的数据，导致丢失。

• 流量控制：TCP 会通过接收方的 接收窗口（receive window） 通知发送方接收缓冲区的剩余空间。如果接收方的接收缓冲区已满，接收窗口大小会变为 0，这就意味着发送方无法继续发送数据，直到接收方的缓冲区有足够的空间来接收新数据。

这时，发送方会减缓发送速率，甚至暂停发送，直到接收方的接收缓冲区有空闲空间为止。

如果应用程序 长时间不调用 recv() 来读取接收到的数据，并且接收缓冲区已满：

• 在 TCP 保证可靠交付 的情况下，TCP 协议栈会通过调整接收窗口来控制发送方的发送速率。如果缓冲区满了，发送方会暂停发送，直到接收方读取部分数据并释放缓冲区空间。
• 然而，如果 接收缓冲区仍然没有被及时读取，并且长时间保持满的状态，某些系统会发生 缓冲区溢出 或者 丢失数据。具体取决于操作系统的实现。

Windows Server 端

//server 端
#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>  // 包含 InetNtop() 函数的头文件
#include <stdlib.h>using namespace std;#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")  // 链接 Winsock 库#define SERVER_PORT 12345  // 设置监听端口
#define BUFFER_SIZE 1024  // 缓冲区大小int main() {system("chcp 65001");  // 设置命令行 utf-8 字符集WSADATA wsaData;SOCKET serverSocket, clientSocket;struct sockaddr_in serverAddr, clientAddr;int clientAddrSize = sizeof(clientAddr);char buffer[BUFFER_SIZE];int recvResult;char clientIP[INET_ADDRSTRLEN];  // 存储客户端 IP 地址字符串// 1. 初始化 Winsockif (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) {cout << u8"Winsock 初始化失败:" << WSAGetLastError();return 1;}// 2. 创建 TCP 套接字serverSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);if (serverSocket == INVALID_SOCKET) {cout << u8"创建套接字失败:" << WSAGetLastError();WSACleanup();return 1;}// 3. 设置服务器地址信息serverAddr.sin_family = AF_INET;serverAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;  // 绑定到所有本地地址serverAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT); // 设置监听端口// 4. 绑定套接字if (bind(serverSocket, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == SOCKET_ERROR) {cout << u8"绑定套接字失败:" << WSAGetLastError();closesocket(serverSocket);WSACleanup();return 1;}// 5. 开始监听if (listen(serverSocket, SOMAXCONN) == SOCKET_ERROR) {cout << u8"监听失败:" << WSAGetLastError();closesocket(serverSocket);WSACleanup();return 1;}cout << u8"服务器正在监听端口:" << SERVER_PORT;// 6. 接受客户端连接clientSocket = accept(serverSocket, (struct sockaddr*)&clientAddr, &clientAddrSize);if (clientSocket == INVALID_SOCKET) {cout << u8"接受连接失败:" << WSAGetLastError();closesocket(serverSocket);WSACleanup();return 1;}// 使用 inet_ntop 替代 inet_ntoainet_ntop(AF_INET, &clientAddr.sin_addr, clientIP, sizeof(clientIP));cout << u8"客户端已连接，IP 地址:" << clientIP;// 7. 与客户端进行数据交换while (1) {recvResult = recv(clientSocket, buffer, sizeof(buffer) - 1, 0);if (recvResult > 0) {buffer[recvResult] = '\0';  // 确保数据为字符串cout << u8"接收到的数据:" << buffer << endl;// 向客户端发送回应const char* response = u8"Hello from server. 你好我是服务器端。";int sendResult = send(clientSocket, response, strlen(response), 0);if (sendResult == SOCKET_ERROR) {cout << u8"发送数据失败:" << WSAGetLastError();break;}}else if (recvResult == 0) {// 客户端正常关闭连接cout << u8"客户端关闭了连接.\n";break;}else {// 发生错误cout << u8"接收数据失败: %d\n" << WSAGetLastError();break;}}// 8. 关闭套接字和清理closesocket(clientSocket);closesocket(serverSocket);WSACleanup();return 0;
}

server 端和 client 端大致相同，但也有些许差别。

server 端要有一个一直打开的欢迎套接字（serverSocket），等待来自 client 端的连接。server 端比 client 多了绑定套接字 bind() 和 监听操作 listen()。client 使用 connect() 来连接 server 端的欢迎套接字，server 端使用 accept() 接受来自 client 端的连接，并返回一个新的套接字，用来和该 client 端交换数据。bind() 函数和 accept() 函数的参数在代码中都很简单明了，这里就不多介绍。

bind() 操作：将一个本地的套接字地址（包括 IP 地址和端口号）与一个套接字绑定，确保服务器能够在一个特定的端口上监听连接请求。服务器需要绑定到某个具体的端口号，以便客户端能够通过该端口访问服务器。绑定后，操作系统会知道要将来自客户端的请求通过该端口路由到服务器。（在 client 端，操作系统会为客户端分配一个临时端口，用于与服务器进行通信。因此，客户端不需要使用 bind() 来指定本地的端口号。）

listen() 操作：listen() 函数告诉操作系统，服务器套接字准备好接受客户端的连接请求。它实际上是使套接字处于监听状态，等待客户端发起连接。

#include <winsock2.h>int listen(SOCKET s,int backlog// backlog 等待连接队列的最大长度。表示在 accept() 函数被调用之前，系统允许的等待连接请求的最大数量。如果队列已满，新到的连接请求会被拒绝，直到队列有空位。
);

在代码中，listen() 函数的第二个参数 SOMAXCONN 是一个宏定义 #define SOMAXCONN 0x7fffffff，一个 16进制数，0x7fffffff 只是一个理论值，实际情况中可能有所不同。我们也可以自己指定 backlog 这个值，但不能超过一个最大限制，一旦超过这个最大限制，操作系统会自动调整为最大限制的值，至于这个最大限制是多少，不同的操作系统中可能会不同。backlog 值过小可能导致连接请求被拒绝（连接队列已满），如果设置得太大，可能会消耗过多的系统资源（端口号在一台机器上是有限的资源）。对于高负载的服务器，backlog 可能需要更高的值。

server 端可以接受多个 client 端的连接，欢迎套接字的作用就是监听端口，等待来自客户端的连接，并为每一个 client 端单独创建一个套接字与之进行通信。在上面的示例代码中，仅接受一个 client 端的连接，因为只创建了一个 clientSocket。

server 端和 client 端可以在同一台电脑上运行，这样就实现了同一台机器上两个进程之间的通信，client 端 使用 127.0.0.1 IP 地址连接 server 端。

server 端 和 client 端也可以在不同的主机上运行，如果在同一个局域网中，client 端就使用运行 server 端进程的主机的局域网 IP 地址进行连接。如果 server 端处于公共的网络环境中，client 端就使用 server 端主机的公网 IP 地址进行连接。

下面这段 client 代码用来连接以上 server 端：

//client 端
#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <string>
#include <stdlib.h>#pragma comment(lib, "Ws2_32.lib")#define PORT 12345
#define BUFFER_SIZE 50000int main() {system("chcp 65001");  // 设置命令行 utf-8 字符集// 初始化 WinsockWSADATA wsaData;int iResult = WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);if (iResult != 0) {std::cerr << "WSAStartup failed: " << iResult << std::endl;return 1;}// 创建套接字SOCKET clientSocket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);if (clientSocket == INVALID_SOCKET) {std::cerr << "Error at socket(): " << WSAGetLastError() << std::endl;WSACleanup();return 1;}// 设置服务器地址和端口sockaddr_in serverAddr;serverAddr.sin_family = AF_INET;serverAddr.sin_port = htons(PORT);// 将服务器地址从文本转换为二进制形式in_addr serverIP;if (inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &serverIP) <= 0) {std::cerr << "Invalid address/ Address not supported" << std::endl;closesocket(clientSocket);WSACleanup();return 1;}memcpy(&(serverAddr.sin_addr), &serverIP, sizeof(serverIP));// 连接到服务器iResult = connect(clientSocket, (SOCKADDR*)&serverAddr, sizeof(serverAddr));if (iResult == SOCKET_ERROR) {std::cerr << "Error at connect(): " << WSAGetLastError() << std::endl;closesocket(clientSocket);WSACleanup();return 1;}std::cout << "Connected to server" << std::endl;// 发送和接收数据的循环while (true) {// 读取用户输入std::cout << "Enter message to send (or type 'exit' to quit): ";std::string inputMessage;std::getline(std::cin, inputMessage);  // 获取用户输入// 如果用户输入 'exit'，则退出循环if (inputMessage == "exit") {break;}// 发送消息到服务器int iSendResult = send(clientSocket, inputMessage.c_str(), inputMessage.length(), 0);if (iSendResult == SOCKET_ERROR) {std::cerr << "send failed: " << WSAGetLastError() << std::endl;break;}std::cout << "Message sent to server: " << inputMessage << std::endl;// 接收来自服务器的响应char recvbuf[BUFFER_SIZE] = { 0 };int iRecvResult = recv(clientSocket, recvbuf, BUFFER_SIZE - 1, 0);if (iRecvResult > 0) {recvbuf[iRecvResult] = '\0';  // 确保字符串结束std::cout << "Message from server: " << recvbuf << std::endl;}else if (iRecvResult == 0) {// 连接关闭std::cout << "Connection closed by server." << std::endl;break;}else {std::cerr << "recv failed: " << WSAGetLastError() << std::endl;break;}}// 关闭套接字closesocket(clientSocket);// 清理 WinsockWSACleanup();return 0;
}

运行：server端 监听 12345 端口，client 端连接本地的 12345 端口不断地从命令行接收 message，并发送给 server 端，server 每次收到消息 都只发送 “Hello from server. 你好我是服务器端。”